CN113958494A - 一种驱动端调速与气缸卸载融合的排气量调节方法 - Google Patents

Abstract

一种驱动端调速与气缸卸载融合的排气量调节方法属于往复压缩机流量调控技术领域。通过气缸卸载实现有级阶梯粗调，再结合变转速调节实现阶梯负荷段内的无级连续调节，更好地满足往复式压缩机的气量调节要求；同时本发明提出了滑窗组合顺序循环顶开气阀的方法来切换气缸空载端的方法，有效避免了气缸长期卸载下进气端气体温度升高，为中高转速往复压缩机气量无级调节的节能改造提供了一种技术手段。

Description

一种驱动端调速与气缸卸载融合的排气量调节方法

技术领域

本发明属于往复压缩机流量调控技术领域，尤其涉及了一种基于驱动端调速与气缸卸载融合的排气量调节方法，使用改变压缩容积的扫掠速度和气缸卸载的排气量控制方法来无级控制压缩机流量，使压缩机的排量适应后端工艺用气量的要求，并且其驱动器平稳、高效和安全地运行。

背景技术

往复压缩机作为流程工业中的关键设备，同样也是一种高耗能设备。实际生产中，由于工艺、工况、生产条件等因素的变化都需要压缩机在低于额定流量下更宽流量范围运行。目前能够有效节能的调节压缩机气量方法主要有变转速调节、顶开进气阀调节和气缸卸载阶梯调节。

变转速调节是通过主动调节压缩机曲轴转动速度进而改变其压缩容积的扫掠速度，最终在预定的范围内连续调节压缩机的排气量。变转速调节多用于汽轮机或内燃机驱动的压缩机上，当压缩机为电机驱动时，须配置变频器或采用变频电机。变转速调节能够无级连续调节压缩机排气量，并且在多级压缩时不会改变各级压力比的分配。但是由于变转速调节极易造成机组润滑不充分、部件磨损加剧、振动增加等不良影响，使得变转速调节的范围有限。如若再想降低排气量，需要其他的辅助措施。

顶开进气阀调节是将通过主动控制进气阀运动，让进气阀在活塞反向后依然保持开启，使气缸中多余气体回流的原理，这有效地控制了允许进入气缸进行压缩的气体量，通过连续调节气阀关闭的时间实现了排气量的无级调节。这种调节方式需要配套高速响应的驱动机构以及各种电子和机械子系统，使得系统的复杂程度高。并且现有的驱动机构响应时间无法匹配中高转速压缩机的气阀启闭，限制了这种调节方法只能应用于低速压缩机上。

气缸卸载阶梯调节是通过在活塞动作的全过程中，将压缩机双作用气缸的一侧进气阀全部顶开，该侧气缸不进行压缩和排气过程，有效地移除气缸的一侧，使气缸以单作用模式运行。这种调节方式为分级阶梯调节，例如一个有两个双作用气缸的压缩机，若只顶开一个气缸的盖侧进气阀，则压缩机整机排气量降低为75％；若顶开两个气缸的盖侧进气阀，则压缩机整机排气量降低为50％；若顶开两个气缸的盖侧进气阀和一个气缸的轴侧进气阀，则压缩机整机排气量降低为25％；如果顶开全部进气阀则排气量为0。这样实现了100％、75％、50％、25％、0五级调节。这种调节方式下全部吸入气缸的气体在活塞的推动下经过进气阀又回流至进气管道中，气体如此反复循环进出空载气缸端会导致进气端甚至气缸过热。因此当前顶开进气阀有级调节的应用局限于启停机加/卸载阶段的短期调节。

发明内容

本发明提出了一种调速与气缸卸载融合的气量调节方法，通过气缸卸载实现有级阶梯粗调，再结合变转速调节实现阶梯负荷段内的无级连续调节，更好地满足往复式压缩机的气量调节要求。同时本发明提出了顺序循环顶开气阀来切换气缸空载端，保持进气端气体温度始终处于可接受的范围，实现长期调节。

本发明涉及一种往复压缩机无级气量调节方法，其特征在于：

1)压缩机的排气量Q等于每一转吸入第一级所有气缸的气体减掉泄露量再乘以转速，即Q＝V₁λ_vλ_pλ_Tλ_ln，其中V₁为第一级所有气缸的行程容积总和，λ_v、λ_p、λ_T分别为第一级气缸的容积系数、压力系数和温度系数，λ_l为第一级的泄露系数，n为压缩机实际转速。

2)设压缩机第一级气缸数量为k，气缸均为双作用式，则第一级所有气缸的行程容积总和

其中α_i为第i个气缸的盖侧卸载系数

β_i为第i个气缸的曲轴侧卸载系数

V_h1为气缸单侧行程容积(轴侧气缸中活塞杆所占容积忽略不计，近似认为气缸的盖侧容积与曲轴侧容积近似相等)。

3)结合1)和2)得到压缩机的实际排气量

确定压缩机满负荷时的额定排气量为Q_max＝2kV_h1λ_vλ_pλ_Tλ_ln_max，其中n_max为压缩机额定转速；

4)设往复压缩机工作气量负荷比为η(η∈[0,1])，则由

得到

按照以下方法确定调节气量η下对应的气缸加/卸载系数和转速调定值：

I)当气量负荷比η＝0，则所有气缸全部卸载α_i≡β_i＝0，i＝1～k；压缩机运行在额定转速下，即n＝n_max；

II)当气量负荷比η＝1，则所有气缸全部加载α_i≡β_i＝1，i＝1～k；压缩机运行在额定转速下，即n＝n_max；

III)当气量负荷比

首先令

即

其中j＝0～(2k-1)，则将j+1侧气缸加载，剩余2k-j-1侧全部卸载，之后按照滑窗顺序循环切换卸载缸；其次令该负荷比下的转速百分比为

得到该负荷比下的调节转速值为

卸载缸滑窗顺序循环切换方法：首先，由所有盖侧和轴侧缸卸载系数形成系数集合Set_C＝{α₁,α₂,…,α_k,β₁,β₂,…,β_k}；其次，计算卸载数2k-j-1和2k的最小公倍数lcm(2k,2k-j-1)，记为Z＝lcm(2k,2k-j-1)，得到系数扩展集Exp_C＝{Set_C₁,Set_C₂,…,Set_C_Z}；再次，令系数扩展集Exp_C的第1到2k-j-1个系数为0，所对应的缸卸载，其余系数均为1，所对应的缸满载；间隔一段时间Δt之后，再令系数扩展集Exp_C的第2k-j到4k-2j-2个系数为0，所对应的缸卸载，其余系数均为1，所对应的缸满载；如此每间隔一段时间Δt依次滑动系数为0的窗口，直至遍历完整个系数扩展集Exp_C；最后，循环重复上述过程实现卸载缸滑窗顺序循环切换。

本发明涉及的往复压缩机气量调节方法有效融合了转速调节和气缸卸载有级阶梯调节，实现了全负荷范围的气量无级调节，同时提出了滑窗组合顺序循环顶开气阀的方法来切换气缸空载端，突破了气缸卸载方式下进气端气体温度超温只能短期调节的限制，实现了该调节方法的长周期可靠调节。

附图说明：

图1是压缩机双作用气缸工作原理示意图；

图2是确定调节气量η下对应的气缸加/卸载系数和转速调定值示意图；

图3是气量负荷比

时的滑窗顺序循环切换卸载缸示意图；

图4是当气量负荷比

时的滑窗顺序循环切换卸载缸示意图；

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和实施方式详细加以描述。

1)本发明方法的调节原理：

参见附图1，压缩机曲轴的转动带动活塞在气缸中往复运动，对于双作用式气缸，活塞每往复运动一个行程，气体依次进入气缸左右两个腔体，分别在盖侧气缸和轴侧气缸两个腔体内完成压缩。压缩机的排气量等于每一转吸入第一级所有气缸的气体量乘以转速。变转速调节是通过主动调节压缩机曲轴转动速度进而改变压缩容积的扫掠速度，最终在预定的范围内连续调节压缩机的排气量。顶开进气阀调节是通过将一侧气缸的进气阀全部顶开，使得该侧的气缸完全卸载的方式实现气量的调节。如图所示，若只顶开该气缸的盖侧进气阀，则气缸排气量降低为50％；若顶开盖侧气缸和轴侧全部进气阀，则气缸完全卸载排气量为零。

参见附图2，设第一级气缸数量为k，气缸均为双作用式，则通过顶开进气阀调节可实现气量的2k+1级阶梯调节，每一级的调节步长为

在指定的气量负荷比η下，首先判断η所属的分级调节阶梯区间，假设

则令

即

得到分级调节量为保持2侧气缸满载，其他所有气缸卸载，如图所示实现气量为

的粗调；其次，通过降低转速实现气量为

的细调，转化为调节转速百分比为kη，得到该负荷比下的调节转速值为n＝n_maxkη。

2)气缸卸载有级阶梯调节方式下的卸载缸滑窗顺序循环切换原理：

将压缩机的各侧气缸按照附图3中的方式排序，上半圈为盖侧缸，下半圈为轴侧缸。当气量负荷比

时

第一次取α₁缸卸载即α₁＝0，其他缸全部满载；第二次取α₂缸卸载即α₂＝0，其他缸全部满载；依次按照顺时针滑窗的方式顺序循环切换卸载缸。

同理，当气量负荷比

时

参见附图4，第一次取α₁缸和α₂缸卸载即α₁＝α₂＝0，其他缸全部满载；第二次取α₃缸和α₄缸卸载即α₃＝α₄＝0，其他缸全部满载；依次按照顺时针滑窗的方式顺序循环切换卸载缸。

3)以一台一级两缸双作用式往复压缩机为例，说明本发明的详细实施方式如下：

机组信息见下表，本实例中分别以η取(1,0.8,0.6,0.4,0.2,0)为例求解对应的气缸加/卸载系数和转速调定值。

机组第一级气缸数量k＝2，气缸均为双作用式，则通过顶开进气阀调节可实现气量的5级阶梯调节，每一级的调节步长为25％，即形成五个调节区间：0、(0,25％]、(25％,50％]、(50％,75％]、(75％,100％]。在指定的气量负荷比η下，首先判断η所属的分级调节阶梯区间。

I)当气量负荷比η＝0时，则所有气缸全部卸载α₁＝α₂＝β₁＝β₂＝0；压缩机运行在额定转速下，即n＝n_max＝1000RPM；

II)当气量负荷比η＝1时，则所有气缸全部加载α₁＝α₂＝β₁＝β₂＝1；压缩机运行在额定转速下，即n＝n_max＝1000RPM；

III)当气量负荷比η＝0.8时，η∈(0.75，1]，首先令

即

α₁＝α₂＝β₁＝β₂＝1；其次令该负荷比下的转速调节百分比为0.8，得到该负荷比下的调节转速值为n＝0.8n_max；

IV)同理可分别求得气量负荷比η＝0.9、η＝0.8、η＝0.7、η＝0.6、η＝0.5、η＝0.4、η＝0.3、η＝0.2下的气缸加/卸载系数和转速调定值，见下表所示。

当η＝0.6时，系数扩展集Exp_C＝{α₁,α₂,β₁,β₂}，第一次取α₁缸卸载即α₁＝0，其他缸全部满载；之后按照以下滑窗顺序循环切换卸载缸，其余缸满载，依次循环。

当η＝0.4时，系数扩展集Exp_C＝{α₁,α₂,β₁,β₂}，第一次取α₁缸和α₂缸卸载即α₁＝α₂＝0，其他缸全部满载；之后按照以下滑窗顺序循环切换卸载缸。

当η＝0.2时，系数扩展集Exp_C＝{α₁,α₂,β₁,β₂,α₁,α₂,β₁,β₂,α₁,α₂,β₁,β₂}，第一次取α₁、α₂和β₁缸卸载即α₁＝α₂＝β₁＝0，剩余缸满载；之后按照以下滑窗顺序循环切换卸载缸。

Claims (1)

1.一种驱动端调速与气缸卸载融合的排气量调节方法，其特征在于：

1)压缩机的排气量Q等于每一转吸入第一级所有气缸的气体减掉泄露量再乘以转速，即Q＝V₁λ_vλ_pλ_Tλ_ln，其中V₁为第一级所有气缸的行程容积总和，λ_v、λ_p、λ_T分别为第一级气缸的容积系数、压力系数和温度系数，λ_l为第一级的泄露系数，n为压缩机实际转速；

2)设压缩机第一级气缸数量为k，气缸均为双作用式，则第一级所有气缸的行程容积总和

其中α_i为第i个气缸的盖侧卸载系数

β_i为第i个气缸的曲轴侧卸载系数

V_h1为气缸单侧行程容积；

3)结合1)和2)得到压缩机的实际排气量

确定压缩机满负荷时的额定排气量为Q_max＝2kV_h1λ_vλ_pλ_Tλ_ln_max，其中n_max为压缩机额定转速；

4)设往复压缩机工作气量负荷比为η(η∈[0，1])，则由

得到

按照以下方法确定调节气量η下对应的气缸加/卸载系数和转速调定值：

I)当气量负荷比η＝0，则所有气缸全部卸载α_i≡β_i＝0，i＝1～k；压缩机运行在额定转速下，即n＝n_max；

II)当气量负荷比η＝1，则所有气缸全部加载α_i≡β_i＝1，i＝1～k；压缩机运行在额定转速下，即n＝n_max；

III)当气量负荷比

首先令

即

其中j＝0～(2k-1)，则将j+1侧气缸加载，剩余2k-j-1侧全部卸载，之后按照滑窗顺序循环切换卸载缸；其次令该负荷比下的转速百分比为

得到该负荷比下的调节转速值为

卸载缸滑窗顺序循环切换方法：首先，由所有盖侧和轴侧缸卸载系数形成系数集合Set_C＝{α₁，α₂，…，α_k，β₁，β₂，…，β_k}；其次，计算卸载数2k-j-1和2k的最小公倍数lcm(2k，2k-j-1)，记为Z＝lcm(2k，2k-j-1)，得到系数扩展集Exp_C＝{Set_C₁，Set_C₂，…，Set_C_Z}；再次，令系数扩展集Exp_C的第1到2k-j-1个系数为0，所对应的缸卸载，其余系数均为1，所对应的缸满载；间隔一段时间Δt之后，再令系数扩展集Exp_C的第2k-j到4k-2j-2个系数为0，所对应的缸卸载，其余系数均为1，所对应的缸满载；如此每间隔一段时间Δt依次滑动系数为0的窗口，直至遍历完整个系数扩展集Exp_C；最后，循环重复上述过程实现卸载缸滑窗顺序循环切换。

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